JPH11509305A - 改善されたインジェクターを利用する低酸化バーナー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 一つ若しくは二つのステージの内部燃焼室を有し、ガス若しくはディーゼル油のような液体の燃料を受け入れ、空気若しくは酸素と混合し、引き続いて点火プラグにより点火する低酸化バーナーにおいて使用されるインジェクターが開示される。インジェクターが有する供給導管若しくはチューブによって同時に噴射された空気および燃料は、混合装置のバッフルに突き当たって完全に混合し、燃焼して排出される。インジェクターは水と混合される排出ガスを受け入れ、燃料から最大量の水素を生成する。生成された層流は折り重ねられられるとともに燃焼室内で方向が反転される。

Description

【発明の詳細な説明】 改善されたインジェクターを利用する低酸化バーナー 発明の背景 発明の分野 本発明は、内燃エンジンおよびタービンから排出される酸化窒素エミッション を減少させ、若しくは全体的に水素を生成する装置の分野に関し、より詳しくは 、燃焼室内部で別々な空気／燃料混合を受けるとともに、水素の生産を増やすた めに燃焼した排出物に水を加えることができるインジェクター混合装置に関する 。 従来技術の簡単な説明 通常のバーナーは燃焼室内において、燃料に対して空気が過剰な状態で動作す るとともに、２つのステージにおいて反応が生じる。第１のステージは空燃比が 理論空燃比に近い領域を有し、ここに生じる高温が燃料の化学反応を誘発する。 このような温度により、高い濃度の窒素酸化物が生じてしまう。最終的なトータ ルの空燃比を成し遂げるために、第２ステージはエア・リッチ状態で作動する。 その温度はより低く、しかししばしば十分に低くはないが、窒素酸化物は生ずる ことができない。また、本ステージにおいては、第１ステージで生じた窒素酸化 物を一般的には除去しない。全体的には、両ステージで形成された窒素酸化物は 、バーナーの排出部に現れる。 同時継続中の特許出願第０８‐１４８４７１号および第０７‐９９７４５０号 に開示された技術は、低酸化バーナー内において、空気とかなり過剰な燃料との 間で化学的平衡を達成するために、混合気の流れ方向を急速に反転するようにさ れている。この技術によれば、窒素酸化物を生じさせることなく合理的に高い温 度で平衡が生じる。これは、過剰な燃料濃度が選択的に、窒素ではなく燃料と空 気との間の反応を引き起こすからである。 出願中の特許に示されている技術が、更なる空気により簡単に燃焼させること ができる生成物を生じさせることが判明した。結果として、エンジンあるいは加 熱ボイラーその他のための、実質的には全く窒素酸化物を生成しない過剰な空気 を有した燃焼室は、関連する２つのステージプロセスによって達成される。第１ ステージは、出願中の特許が示すタイプの燃料リッチなバーナーを有する。第２ ステージは、同様の技術を用いるがエアリッチで作動する。第１ステージからの 生成物と、最終的な空気／燃料混合物を達成するために必要とされる過剰な空気 とは、第２ステージに導入される。このステージにおいては、後の空気および後 の生成物が共に、出願中の特許に示されたようにその流れ方向が急速に反転され ることにより、急速な化学的均衡が生じる。低酸化バーナーから得られた燃料生 成物の改善された固有の反応性を考慮して、誘発された流れ方向の反転、および 比較的高い水素濃度、平衡化が、通常より高い空燃比において第２ステージ内に 誘発される。この結果、窒素酸化物の生成が非常に低レベルな、非常に低い温度 が生じる。温度がより高い、より高い空燃比においても、窒素酸化物の生成は低 レベルである。これは、空気および燃料が非常に速く混合されるので、非常に高 い温度をほとんど回避できるからである。 第２ステージにおいて必要とされる状態を達成するために、その噴射は以前の 特許のそれらから修正される。低酸化バーナー生成物の温度が早期点火を生じさ せ、それによって平衡の傾向を低下させるとともに、インジェクターを害するの に十分に高い内部温度をもたらすので、この修正は必要である。この修正は、新 しい空気と第１ステージの生成物とを、インジェクターの限られた空間の中でお 互いに分離させる。 それゆえに、空気／燃料を揮発性の混合物に結合させ、燃焼の後に追加の水素 を生成するために導入された水を受け入れる、新しいインジェクターを提供する 必要が長年の間存在した。そのような噴射手段は、製造および窒素酸化物バーナ ーの燃焼室内への組付けが簡単で有るべきであり、好ましくは、排出ノズルにお ける排出物は水噴射を受け入れることができる。 発明の概要 それゆえに、燃料および空気が供給チューブを介して導入される少くともひと つの燃焼室を有し、燃料および空気を誘導して混合させるのみならず流れの方向 を反転させる嵌め筒のバリヤーに対して導かれた空気および燃料が衝突を強いら れ、供給チューブの周りにおいてそれ自体に折り重ねることと燃焼室内における 方向の反転とによって混合物が層流を形成する、新しいバーナーを提供する本発 明によって、上記の問題および困難を回避することができる。 従って、本発明の主要な目的は、低酸化バーナーを用いて燃料から水素を生成 する際に、水を付加することによって水素の量を増やすための手段を提供するこ とにある。水を付加するそのような手段は、カーボンの生成を減少させる。本発 明の他の目的は、燃料から最大量の水素を生成するとともに、通常、多くの活動 中の過程を妨げる固体の粉を生成するカーボンを減少させる、低酸化バーナーを 提供することにある。 本発明の他の目的は、混合物が点火されて燃焼させられる燃焼室に燃料および 酸素を一緒に噴射の直前に持ち込ことにより、供給された空気若しくは酸素およ び燃料の非常に急速な予備混合を生じさせる新規なインジェクターを使用する低 酸化バーナーを提供することである。そのような混合過程が急速に生じるので、 インジェクターにおける予備反応は生じるいとまもない。 本発明の他の目的は、低酸化バーナーの第１ステージによって生成され、通常 は空気あるいは酸素に対して自然にかつ急速に反応する、非常に高い温度の一酸 化炭素および水素の混合物を燃料が含む、低酸化バーナーのための新しいインジ ェクターを提供することにある。容認されるならば、このような予備反応は破壊 的であり、意図されない生成物が生じる。 本発明の他の目的は、好ましくはバーナーの出口ステージに水を加えることに よって増やすことができる最大量の水素を、燃料から生成することができる低酸 化バーナーを提供することにある。本発明の更なる目的は、ディーゼル油あるい は他の液体燃料に似た液体の燃料を使用する低酸化バーナーを提供することにあ る。 図面の簡単な説明 新しいと信じられる本発明の特徴が、添付の請求項において詳細に説明される 。本発明は、その組織および作動の方法の両方が、更なる目的および利点と共に 、添付の図面と関連してなされる以下の記述を参照することにより最も良く理解 される。ここで、 図１は、本発明を取り入れた新しいインジェクターを使用する２ステージ低酸 化バーナーの長手方向の概略断面図である。 図２は、新しいインジェクターとバーナー出口に水を噴射する手段とを有する １ステージ低酸化バーナーの長手方向の図１と同様な概略断面図である。 図３、４および５は、図１および２に示した低酸化バーナーに役立つ新しいイ ンジェクターの変形例を示す図である。 図６は、ディーゼル油のような燃料の取り扱いに適した低酸化バーナーの長手 方向の断面図である。 図７は、水を付加する介在物を有した図２に同様の長手方向の断面図である。 図８および９は、水素の生成量を増加させるために低酸化バーナーに水を付加 することに関連する図である。 図１０および図１１は、カーボンの形成を減少させつつ水素の生成量を出力を 増やすために、低酸化バーナーに水を付加することに関連する図である。 好ましい実施例の詳細な説明 図１を参照すると、符号１０で表された本発明の新しい２ステージ低酸化バー ナー（低酸化燃焼装置underoxidized burner）は、符号１１で表された新しいイ ンジェクターを備えている。バーナーは、第１のステージ(first stage)１２お よび第２のステージ(second stage)１３を含む。導管１４は、低酸化バーナー１ ２の下流部分であり、熱い排出物がチューブすなわち導管１４を通過し、ついに は第２ステージバーナーすなわち第２バーナー１３に至るように配置されている 。前記導管すなわちパイプ１４は、第２ステージバーナー１３内の燃焼室１５に 入りこみ、かつ嵌め筒(thimble)１６の内側の平らな表面に対して間隔を開けて 固定された状態で終端している。前記平らな表面は符号１７によって識別される 。また、図中の矢印から明らかなように、チューブ１４を通った排出物はチュー ブの端部とそれに対向する前記表面１７との間に入り込み、表面１７に衝突して 方向が１８０度反転し、嵌め筒の開口を通って出るようにされている。図示され るように、嵌め筒１６はカップ状とされ、かつチューブ１４は空気導入チューブ １８内に同軸に間隔を開けた状態で配置されている。要求される理論的空燃比を 提供するのに十分な、低酸化バーナーの燃料および空気を含む気流は、パイプ２ ０から、同軸に配置されたチューブ１４および１８の表面の間に画成された環状 路２１を通過する。前記環状路２１は、その下端(lower end)が絶縁端部２２に 対して密封されるとともに、その先端は嵌め筒１７内の空間に開口している。導 入パイプすなわち供給パイプ１４からのガスおよび供給パイプ１８からの空気は 、気流を示す矢印によって図示されるように、嵌め筒１７内部で出会って混ざり 合う。空気および燃料の混合物は２度の９０度ターンにより、チューブ１８の外 部に沿って後方に移動する円筒状のガスとして排出される前に十分に混合される 。このような円筒状の混合物は、折り重ねられた(folded over)層流となり、燃 焼室１５内で反転する際に、符号２３によって示されるスパークプラグ若しくは 同 様の点火装置によって点火される。燃焼室内を移動する際、円筒状ガスはバーナ ー１５からガスを導入し、再循環を生じさせる。ガスは壁２２および周囲の燃焼 壁(burning wall)に突き当たってさらに２回９０度ずつ方向転換し、追加的な混 合が促進される。ガスは、燃焼室内を軸線方向に上流に移動し、絶縁材料から形 成されたバリヤーリング２４に遭遇する。これによりガスがチューブ１８の方へ 移動するので、ガスの誘導−再循環の作用(induction-recirculation action)が 促進される。最終的に、熱いガス生成物は、バーナーの残り部分を通り抜け、オ リフィスノズル２５から出る。テストの結果は、分離した流れによってほぼ２倍 の燃焼効率が成し遂げられたこと、およびＮＯ_X（窒素酸化物）およびＣＯ（一 酸化炭素）の排出レベルが非常に低いことを示している。 本発明の他の実施例を示す図２を詳細に参照すると、低酸化バーナーに使用さ れ、供給された燃料および空気の非常に速い予備混合を実現するインジェクター が示されている。前記バーナーは、符号３０で図示されており、符号３１によっ て識別された燃焼室を有する単一のステージを含んでいる。チューブ３２および １９をそれぞれ介して供給された空気および燃料は、燃焼室３１内に噴射され、 点火されて燃焼する。混合が急速に行われるので、符号３３によって示されるイ ンジェクター内の予備反応は、生じるいとまもない。 このインジェクターは、図１に記載された低酸化バーナーの第１ステージの排出 物によって生産されるような、一酸化炭素および水素の非常に熱い混合物が燃料 に含まれるときに特に使用される。上記混合物は自然的かつ迅速に空気と反応す る。このような予備反応は破壊的で、意図されない生成物が生じることがある。 バーナー３０は、金属製の囲い３５内部の断熱材３４によって囲まれている。 セラミックリング３６は、燃焼室３１内に突出し、内側断熱材３４に取り付けら れている。燃料はチューブ３２ａに入り、インジェクター３３の一部分をなすカ ップ状の嵌め筒３７へ移動する。嵌め筒３７の内側に入ると、燃料はバリヤ３８ に遭遇してこれに突き当たり、符号３９によって表される嵌め筒３７の円筒形の 側壁の内側に向かって半径方向外側に移動する。空気はチューブ３２に入り込ん でその開口端から出るとともに、バリア３８の燃料が突き当たる側面と反対側の 側面に突き当たる。この結果、空気は嵌め筒の側壁３９側に強制的に移動させら れる。ここで、燃料／空気の組合せはその方向が９０度変化し、最初の混合が生 じる。嵌め筒の側壁３９の円筒形部分を通過する際に、空気力学および運動量効 果(aerodynamic and momentum effects)が混合を生じさせ、燃料と空気とを一緒 に押し込み(sqeeze)薄いシート状の蒸気とする。これによりさらなる混合が誘発 される。混合物は嵌め筒の開口を通って進む。また、空気力学的な力およびコア ンダ効果(Coanda effect)によりもたらされた前記混合物は、圧縮された比較的 薄い層の形態をもって、自ら空気導入チューブ３２の外側表面に付着する。これ により、さらに混合が進むとともに、チューブ３２を非常に高い燃焼温度から保 護する。下方（downward）に向かって移動する層流は、底面すなわち符号４０に より識別される端部断熱材表面に遭遇し、その方向を９０度変えて側壁４１の内 面に向かって移動するとともに、側壁４１において更にその方向転換が誘発され る。これらの方向転換により、燃料と空気の混合が促進される。混合物はスパー クプラグ４２によって点火される。燃焼ガスは燃焼室の反対側の端部に向かって 上方に進み、バーナーの底部分を満たす。燃焼室内部の熱いガスの一部は、嵌め 筒３７から下方に向かう層流の内部に導き入れられ、燃焼を助ける再循環を引き 起こす。このような導入作用は、熱いガスをチューブ３２に導くセラミックリン グ３６によって増加させられる。最終的に、燃焼した生成物すなわち排出物はノ ズル４３を通って外部に出る。点火の後、スパークは必要とされずその作動は止 められる。 空気および燃料の流れがそれぞれチューブ１９および３３の開口端を介して出 ることと同様に、混合物の流れが矢印によって示されることは特に注目されるべ きことである。また、導入チューブ３２および３３が、図１に示されるように互 いに同軸的に配置されていることも注目すべき点である。しかしながら、図２に おける供給チューブは、他方と同一の空間を占有しており、また燃料供給チュー ブ３３の端部に嵌め筒３７が支持されるという形態を採っている。図１の実施形 態においては、前述した同時継続中の出願に開示されているようにスポークある いは一般的な他の手段によって、インジェクターの嵌め筒１６を、チューブ１８ 上に容易に支持することができる。 図３乃至図５には、嵌め筒の位置および嵌め筒への空気および燃料の導入方法 が異なる構成が開示されている。図３においては、嵌め筒４３は、空気供給チュ ーブ４６および燃料供給チューブ４７の開口端に対して、嵌め筒４３の表面が直 接対向するように配置されている。供給された燃料および空気の混合は、バリヤ ー３８が使用されない点を除いて、図２に示したインジェクター３３と同様に行 われる。しかしながら、図３に示す実施例は、図１に示した２ステージ低酸化バ ーナーの第２ステージに使用することができる。図４においては、他の態様のイ ンジェクターが使用されている。ここで、嵌め筒４８は、前述したように、燃料 供給チューブ４９および空気供給チューブ５０の開口端を受け入れるようになっ ている。しかしながら、燃料供給チューブ４９の端部は閉じており、燃料は、閉 じた端部に隣接してチューブの側壁に配置された、符号５１によって示される穴 を通して嵌め筒内に導入される。図５に示されたインジェクターの他の態様にお いては、嵌め筒は反転させられ、供給された空気および燃料がその基部である板 ５３の外側表面に突き当たるようになっている。空気供給チューブ５４および燃 料供給チューブ５５は、互いに同軸に、かつ間隔を開けて固定された状態で配置 され、供給される空気は燃料チューブ５１の外側表面に沿って導入される。しか しながら、空気および燃料は開口端を介して同時に放出され、板５３の外側表面 に突き当たるようにされている。混合流は、前述したように、層流を形成するべ く嵌め筒の外側表面の周りを通過し、燃焼室に向かう。 図３、図４および図５に示されたインジェクターの各変形例は、図２に示され たバーナーに使用することができる。この場合、燃料は頂部からではなく底部か ら導入され、システムの構造を簡単なものにする。図３および４において、空気 および燃料はそれぞれ供給チューブ４６および４７を介して上方に向けて導入さ れる。図３においては、供給された空気および燃料の二つの流れは嵌め筒４５の 内部に到達し、その内壁面に突き当たって強制的に側方に向きを変えられ、図２ と似た状態となる。図４においては、インジェクターの燃料チューブにだけ、排 出オリフィスすなわち通路５１が設けられている。この場合、燃料は、チューブ の閉じた前端部の近くに設けられたオリフィスを通ってチューブ４９を出る。次 いで、燃料は、前述したように供給チューブ４６内を流れる空気中に入る。この タイプのインジェクターは、メタンのように、燃料が空気に対して非常に反応し にくい時に使用するのに最適である。 図５に示された実施例においては、インジェクターの一つの変形例が開示され る。この態様においては、チューブ５４からの空気およびチューブ５５からの燃 料が、底板５３の表面に突き当たることにより、嵌め筒５２の外側表面に突き当 たる。この態様においては、コアンダ効果が、嵌め筒の円筒形の部分の外側に２ つの供給流れを薄い層流として付着させるので、押しつけ効果(sqeezing effect )が誘発され、さらなる混合が生じる。嵌め筒を去る材料に作用する空気力学の 効果により、流れが内側に移動し、比較的直径の小さい下方に向かって移動する 流れが形成されるため、さらに混合が促進される。 開示されたこれらのインジェクターは、供給された空気および燃料を、低酸化 反応(underoxidized reaction)を生じさせるために必要な高温に予備加熱する、 従前の特許出願に記述されたような予熱手段を備えることができる。このことに 関して、エネルギーを再利用するべく空気および燃料の供給物を予備加熱するた めに使用することができるいくつかの方法が、前述した同時継続中の特許出願に 開示されている。しかしながら、本明細書において開示されたいずれのインジェ クターにも使用できる追加の予備加熱手段が図６に示されている。 ここで、詳細に図６を参照すると、予備加熱手段を有した新規なインジェクタ ーを使用する低酸化バーナーが、符号６０で示されている。このバーナーは、金 属壁６３内部の断熱材６２によって囲まれた燃焼室６１を有する。前記金属壁６ ３は、間隔をあけた状態で金属壁６４によって包囲され、互いに対向する両金属 壁６３，６４によって空間６５が画成されている。供給された空気は、供給チュ ーブ６６を介して環状空間６５内に導入され、下方に移動する。バーナーの下端 部分において、空気は、符号６７によって示される図３に示された形式のインジ ェクター内に入り込む。燃料は、供給チューブ６８を介してインジェクター６７ に導入される。供給された燃料および空気は、前述したようにインジェクターの 嵌め筒内部で混ぜ合わされる。この構造を採用することにより、通常は断熱材を 通過して消失するエネルギーが再生利用される。この構造はまた、断熱材を通る エネルギー損失を減少させる。なぜなら、外側の金属壁６４の温度が、バーナー における華氏約２９００度から、供給された空気温度である華氏７８度乃至華氏 １１００度に低下するからである。 本明細書において開示された各実施例のインジェクターにおいては、供給され た燃料および空気が急速混合の前段階において分離された状態に維持される。こ のため、燃料を別個に加熱することができるし、若しくは燃料を全く加熱しない ようにすることもできる。この利点は、相対的に熱に対して敏感な燃料の使用を 容認する。ディーゼル油は、その沸点である華氏約６５０度以上に加熱されると 、カーボンを含む燃えにくい化学物質に分解する傾向がある。 以下の議論は図６に関してなされるものであるが、ディーゼル油若しくは液体 燃料に似た液体燃料を使用する場合の低酸化バーナーの能力を強調するものであ る。この点において、低酸化バーナーにおいて使用するためには、液体の燃料は まず最初に蒸気化されなければならない。分析および実験は、ほとんどすべての このような燃料が熱力学的に不安定でおり、かつ沸点近くにおいては固体カーボ ンのような材料に分解する傾向があることを示している。このような材料はきれ いに燃やすことが困難であり、また、燃焼した場合にはさまざまな炭化水素が形 成されることになる。さらに、比較的高い沸点を有する液体は、外側の炎によっ て熱せられた熱交換器チューブを通過することによって蒸気化されると、「ぼっ ぼっ」と音をたてる(chug)傾向があり、これにより不均一な燃焼がもたらされる 。また、熱交換チューブは、バーナーにとって望ましくない大きな圧力低下をも たらす。これらの問題を回避し、かつより普遍的な噴射システムを提供するため に、本発明の技術的思想が用いることができる。燃料は、高温の供給空気に囲ま れることにより、熱交換器チューブの外部で蒸気化される。これにより、蒸気化 が行われると直ちに、パルスすなわち良く知られた「ぼっぼっ」という音を生じ させることなく、望ましい親密な空気と燃料との混合がもたらされる。 ディーゼル油のような液体燃料を取り扱うべく図６の実施例を使用する際には 、液体燃料は、嵌め筒の内側壁面に非常に近接して開口する小さなチューブによ りバーナーの下方あるいは底端部から導入される。供給される空気は燃料チュー ブを囲むより大径のチューブに入る。そして、高温の空気と液体燃料との間で熱 交換がなされ、使用される個別の燃料に依存して燃料の温度が上昇する。噴出し た燃料が嵌め筒に突き当たると、燃料は軸線方向外側に移動し、次いで嵌め筒の 側方を下方に向かって移動する。混合物が嵌め筒を出ると、空力的な力により混 合物はインジェクターの直立したパイプの壁の外面に導かれる。外側環状路から の空気も、嵌め筒によりインジェクターの壁に向かって下方に移動する。パイプ を介した熱いガスとの熱交換および外側の炎との熱交換が更に生じ、液体の温度 を高めて沸騰させる。このようにして生成された蒸気が分解することなく周囲の 空 気層に入り込むので、空気が液体燃料に接触し、炭化が生じるような高い温度と なることを回避することができる。蒸気化された燃料／空気の混合物がインジェ クターの壁に沿って下方に移動すると、空力的な力が燃料と空気とを一緒に絞る ので、平衡反応のために必要とされる均一な混合が形成される。底部に到着する と混合物は点火され、前述したように燃焼する。 低酸化バーナーの一つの目的は、燃料から最大量の水素Ｈ₂を生成することに ある。水素の生成は、水の加えることにより増加させることができ、このことは 以下に図２および図７乃至図１１を参照して議論される。 触媒なしで平衡化を成し遂げるために低酸化バーナーの通常の燃焼温度が高い ので、かなりの一酸化炭素が生成される。このことを利用して、一酸化炭素（Ｃ Ｏ）および水（Ｈ₂Ｏ）から水素（Ｈ₂）および二酸化炭素（ＣＯ₂）を生じさせ る良く知られたシフト反応、すなわち Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ＝ Ｈ₂＋ ＣＯ₂ なる反応により水素を生成することができる。 後者は、低温および水の高い濃度によって特別に有利である。触媒が通常使用 され、かつ低酸化バーナーの下流側で図２に示した触媒作用によるシフト反応２ ９を行うことも本発明により開示される技術の一部をなす。 低酸化バーナーの熱出力が比較的高いので、かなりの量の水を加えても、その 燃焼温度は高いままである。 このことは、 ＣＨ₄＋ ．５ｘ２（Ｏ₂＋３．７６Ｎ₂）＋ｎＨ₂Ｏ（ｇ） ここで、ｎは０〜１ なる反応に対して図８に示されている。この反応において、水を含む全ての反応 物は、燃焼ガスとの熱交換によって華氏１０００度に加熱される。 燃焼温度は、華氏３０００度のわずか上から華氏２８００度のわずか下まで低下 するが、後者の温度は、低酸化バーナー内において平衡化をもたらすにはまだ十 分である。従って、シフト反応器のための水の一部は、空気および燃料とともに 直接低酸化バーナーに加えることができる。 この高い燃焼温度においては、水の追加によって、ＣＨ₄（メタン）１モルに つき約１．２〜１．３モルのＨ₂（水素）のわずかな増加が生じる。しかしなが ら、シフト反応を制御するのは低酸化バーナーの出口温度であり、燃焼温度では ない。この温度は、供給物と燃焼ガスとの間における熱交換がなされるため遥か に低く、そしてこの温度は、室温ですべての供給が供給された場合の反応によっ て得られる温度に近づく。 図９は、図８における最も高い水分含有量１モルとした場合に、華氏７８度で 入る液体の水を含んだ全ての供給物を華氏７８度で供給した場合のデータを示す 。これらの状態は、低酸化バーナー出口の状態と密接に関連する。反応のための 平衡は華氏約１８２０度であり、この場合メタン１モルにつき１．６モルの水素 が生産される。これは、メタン燃料中の水素の８０％に達し、高温における低酸 化バーナーの反応よりかなり多い。 図はまた、環境(enviroment)に対する熱交換によって生じるより低い温度にお ける化学的平衡状態を示している。ここで、十分な量の水が低酸化バーナーの主 反応に加えられるので、熱交換によって温度が華氏４００度の環境温度に減少す るまで、水素の生成量はその最大値まで増加し続ける。 単純に熱を失うことによる環境に対する熱交換による冷却は、しばしばカーボ ンの生成をもたらす。これは、華氏約１８００度を下回る中間温度において冷却 の間に成し遂げられる。それは、一酸化炭素が以下の反応 ＣＯ＋ ．５Ｃ＋．５ＣＯ₂ により熱力学的に不安定であるからである。華氏約６００度以下のより低い温度 においては、この反応は非常に遅く、通常無視することができる。 主反応に対する供給の流れに水を加えることが最も望ましい。これは、すなわ ち、冷却過程の間に中間温度を通過する際、その存在が、後の低温状態において 触媒の必要性を軽減するシフト反応をもたらすとともに、全般的にカーボンの生 成を妨げるからである。しかしながら、言及しなければならない問題は、水を加 えられる時に低酸化反応の温度が減少することである。 この効果は、理論空燃比に対して５０％の空気と最高２モルの水の追加に対す る反応を表す、式ＣＨ₄＋（Ｏ₂＋３．７６Ｎ₂）＋ｎＨ₂Ｏについての、図８に似 た、図１０に示されている。上側２本の曲線は燃焼温度を示す。下側は華氏７８ 度で導入された場合で、生じた温度は、水の供給がない場合には華氏約２３００ 度であるのに対して、２モルの水を加えた場合には華氏１４００度である。これ らは、平衡化を保証するにはあまりに低い。上側の曲線は、従前の特許が主題と する予熱方法を使用することにより、華氏１０００度で導入した場合を示す。こ こにおいては、温度は華氏３０００度、乃至２モルの水を加えた場合でも華氏２ ５５０度である。これらは、望まれる平衡化をもたらすに十分である。 平衡化された各化学種は、図１０に同じく示されている。水の量を増やすこと によってＨ₂は１．２〜１．４モルに増加するが、Ｈ₂＋ＣＯは多かれ少なかれ約 ２モルで一定である。後者は、シフト反応の後の理想的な結果を表す。シフト反 応のために重要な温度は、低酸化バーナーの出口における温度であり、より高い 燃焼温度ではないことに注意しなければならない。 図１１は、排出温度が華氏４００度から華氏１１００度のときに、０モルから ２モルの水を加えた場合における、Ｈ₂およびＣのモル数を表している。最も下 の曲線は、水とともにＣが実質的に無に減少することを示す。華氏６００度から 華氏９００度より下の範囲では、ＣＯ（一酸化炭素）が解離することにより生成 するＣの生成率は非常に少なく、平衡化によって示されるより少ない量のＣが生 成される。いずれにしても、２モルの水および華氏９００度においては、Ｃは実 質的に存在しない。 図１１の上側の曲線は水素の生成を示している。より高い水含有量においては 、これらは図１０における理論的な２モルに接近する。これが、触媒なしに成し 遂げられたことに注意しなければならない。 供給物の温度が華氏７８度の場合における低酸化バーナーの理論的な温度は、 図１０において与えられる。これらは、図１１のそれらを上回る。２モルの水に 対しては、理論的な排出温度は華氏１４００度であるが、図１１は華氏９００度 に減少させる必要を示唆する。半分の必要とされた減少が、通常、環境に対する バーナーの熱損失から生じることを実験は示している。さらに、温度が十分に低 いので、Ｃの形成は起こりずらく、水を下流側の排気に加えることができる。そ のようにすることは、温度を下げるとともに、理論的な２モルに対してＨ₂を増 やす傾向がある。 前述したタイプの噴射混合機が、低酸化バーナーからの排出物に水（あるいは 蒸気）を急速に混ぜ合わせることができるので、両者の混合物はカーボンが生成 される温度状態を通過することができる。次いで、両者の混合物は、燃焼を保証 する親密な混合物に対してシフト反応が生じる状態に移動する。 この場合、嵌め筒上に突き当たるチューブの一方は低酸化バーナーからの排出 物を運び、他方が水若しくは蒸気を運ぶ。続いて生じる事実混合は、シフト反応 のためのより低い温度状態に温度を下げる。このシステム全体は、過剰な空気が 蒸気あるいは水に取り替えられている点を除いては、図１における２ステージの ＮＯ−ＮＯｘ反応装置のために示されたシステムに似ている。 液体の水がこの様に加えられると、それはインジェクター内においてぱっと蒸 発(flash)することに注意しなければならない。蒸気が加えられる際には、その 蒸気は、混合インジェクターに入る前に、空気あるいは空気／燃料混合物の予熱 に用いるのと同様の方法で、燃焼ガスとの熱交換によって液体の水から前もって 形成することができる。 前述の議論は、水と一酸化炭素等との間でシフト反応を生じさせるべく低酸化 バーナーの下流に水を加える手段を示唆するとともに、急速な混合を生じさせる 手段を使用する。急速な混合は低酸化バーナーにとっては必要ではないが、主に 必要とするところは排出物が均衡を破る反応、２ＣＯ＝Ｃ＋ＣＯ₂、が生じそう にない温度に急冷することである。それから、一酸化炭素と水から水素と二酸化 炭素を生成するシフト反応をもたらす、大部分の改質炉に含まれた、図２の下流 の触媒リアクター２９が下流に追加される。 図７に示した一つの手段は、低酸化バーナーの排出物に対して後ろ向きに液体 の水を噴射する。ここで、水は、管状若しくは円錐状のシートとされる。これは 、スプーンの中空の開口（the hollow opening of a spoon）を蛇口から流れる 水に挿入した時と全く同様に水がシートを形成するように、チューブ７２を出る 水の流れの中に円錐状部材７０を配置することによってなされる。結果として生 ずる層流が水を蒸発させる優れた熱交換面を提供するので、チャンバに対するよ り強力な後ろ向きの動きが生じ、次いで小滴が提供されてバーナーからの排出物 をより良くカバーする。 図７において、第１の（低酸化）燃焼室の生成物が、第２（過剰酸化）バーナ ーに至るインジェクターの環状路内を通過するとともに、空気はインジェクター 中央のチューブ１４を通過する。加えられた空気が空気の全流量を増やすので、 ２つのバーナーの一緒にされた空燃比は、単一の場合より大きく、通常の範囲に ある。 図７の装置は、空気を液体の水あるいは蒸気に取り替えることにより、シフト 反応（ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ ＝ ＣＯ₂＋Ｈ₂）を生じさせ、カーボンの生成を減少させ るために同じく使用することができる。水は、通常、液体としてポンプあるいは 加圧されたコンテナ７３から供給される。蒸気を水から生成させる際には、蒸 気は、第２バーナー１５における小さい管状の熱交換器７１によって生成される 。その様にして生成された蒸気は、インジェクターに至る環状路あるいはチュー ブに導入される。 さらに、水素を生成するために電気分解された水（electrolyzed water）を使 用することが予想される。メタンあるいは他の炭化水素燃料低酸化バーナーに対 する空気の代わりの酸化剤として、そのような水電気分解によって生成された酸 素生成物を使用することによって、より多く、より低コストな水素を生成するこ とができる。 酸素を用いることにより、排出物が希釈剤としての窒素を含まないので、低酸化 バーナーからの水素のパーセントを高めることができる。 これにより、一つのあるいは複数の内部燃焼のステージを有し、ガス燃料ある いは液体燃料を、空気および／またはスパーク点火によって燃焼させられる酸素 生成物としての電気分解された水との混合物のために利用する、改善された低酸 化バーナーが開示される。空気、酸素生成物あるいはいくらかの例においては前 ステージからの排出物が、選ばれた燃料と共に新しいインジェクターを介して同 時に燃焼室に導入される。最大量の水素を燃料から作り出すために、特に排ガス と混ぜ合わせるときには、水を使用することができる。 本発明の特別な実施例が示されかつ記述されたが、本発明から離れることなく 変更および修正なし得ることは、そのより幅広い見地において、技術に熟練した 者にとって明らかである。したがって、添付の請求の範囲の狙いは、本発明の本 当の精神および範囲の内側におけるそのような変更および修正をカバーすること にある。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項 【提出日】１９９５年１１月１日 【補正内容】 請求の範囲 １． 空気／燃料蒸気を提供するために、理論空燃比に対して燃料リッチな０ ．２５〜１．０の範囲の空燃比で空気および炭化水素燃料を燃焼させる、少くと も１つの内部燃焼室を有したバーナー手段と、 前記バーナー手段内に配置され、空気および燃料を前記内部燃焼室内に別々に 導入するインジェクター手段であって、互いに近接する開口端を有した空気導入 チューブおよび燃料導入チューブを有するインジェクター手段と、 前記空気導入チューブおよび前記燃料導入チューブの前記開口端の周りに配置 され、導入された空気および燃料を同時に受け取るカップ状の嵌め筒と、を備え 、 前記嵌め筒は、前記燃焼室内において空気／燃料混合物を生成するために、前 記導入空気および前記導入燃料を強制的に衝突させる関係において受け止めるバ リヤー壁であって、前記開口端の周囲の縁で終端する連続した側壁内に配置され た平らなバリヤー壁を有することを特徴とする内部燃焼装置。 ２． 前記空気／燃料混合物を受け止めてその方向を変え、前記空気／燃料混 合物をさらに混合するために、前記バリヤー壁が、前記導入空気および前記導入 燃料の直前に配置されることを特徴とする請求項１に記載の内部燃焼装置。 ３． 前記空気導入チューブおよび前記燃料導入チューブは、異なる直径を有 して互いに同軸に配置され、前記開口端は前記嵌め筒の前記バリヤー壁から等し い距離をおいて終端し、かつ前記側壁が前記開口端に対して同軸に配置されてい ることを特徴とする請求項１に記載の内部燃焼装置。 ４． 前記空気導入チューブおよび前記燃料導入チューブの前記開口端は、互 いに離れた状態で互いに対向しつつ同軸に配置され、 前記開口端の間に配置された平坦な隔壁が、導入された空気および導入された 燃料を前記バリアー壁の両側面でそれぞれ直接受け止めることを特徴とする請求 項１に記載の内部燃焼装置。 ５． 前記燃焼室を囲む断熱材料から構成されたバーナー壁と、 前記バーナー壁を囲む金属壁と、を有することを特徴とする請求項１記載の内 部燃焼装置。 ６． 前記燃焼室内において前記嵌め筒のまわりに配置され、前記嵌め筒との 間に減じられた寸法の通路を画成するバリアリングを有することを特徴とする請 求項５に記載の内部燃焼装置。 ７． 前記燃焼室内に配置され、前記空気／燃料混合物の燃焼に反応して水素 および二酸化炭素を生産する触媒シフト反応器を有することを特徴とする請求項 ２に記載の内部燃焼装置。 ８． 前記燃焼室に連通するように前記バーナー壁上に使用可能に支持された 、前記空気／燃料混合物に点火するための点火手段を有することを特徴とする請 求項７に記載の内部燃焼装置。 ９． 前記燃焼室内において前記インジェクター手段のまわりに配置され、前 記燃焼室の寸法と比べて小さい寸法の通路を提供して燃焼させられた前記空気／ 燃料混合物を圧縮するバリヤリングを有することを特徴とする請求項２に記載の 内部燃焼装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バート，バラト アメリカ合衆国カリフォルニア州、コス タ、メサ、ローガン、アベニュ、1310、ス ウィート、イー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 空気／燃料蒸気を提供するために、理論空燃比に対して燃料リッチな０ ．２５〜１．０の範囲の空燃比で空気および炭化水素燃料を燃焼させる、少くと も１つの内部燃焼室を有したバーナー手段と、 前記バーナー手段内に配置された、空気および燃料を前記内部燃焼室内に別々 に導入するインジェクター手段であって、互いに近接する開口端を有した空気導 入チューブおよび燃料導入チューブを有するインジェクター手段と、 前記空気導入チューブおよび前記燃料導入チューブの前記開口端に隣接して間 隔を開けて配置された、導入された空気および燃料を同時に受け取るためのカッ プ状の嵌め筒と、を備え、 前記嵌め筒は、前記燃焼室内において空気／燃料混合物を生成するために、前 記導入空気および前記導入燃料を強制的に衝突させる関係において受け止めるバ リヤー壁であって、前記開口端の周囲の縁で終端する連続した側壁内に配置され た平らなバリヤー壁を有することを特徴とする内部燃焼装置。 ２． 前記空気／燃料混合物を受け止めてその方向を変え、前記空気／燃料混 合物をさらに混合するために、前記バリヤー壁が、前記導入空気および前記導入 燃料の直前に配置されることを特徴とする請求項１に記載の内部燃焼装置。 ３． 前記空気導入チューブおよび前記燃料導入チューブは、異なる直径を有 して互いに同軸に配置され、前記開口端は前記嵌め筒の前記バリヤー壁から等し い距離をおいて終端し、かつ前記側壁が前記開口端に対して同軸に配置されてい ることを特徴とする請求項１に記載の内部燃焼装置。 ４． 前記空気導入チューブおよび前記燃料導入チューブの前記開口端が、互 いに離れた状態で互いに対向しつつ同軸に配置され、 前記開口端の間に配置された平坦な隔壁が、導入された空気および導入された 燃料を前記バリアー壁の両側面でそれぞれ直接受け止めることを特徴とする請求 項１に記載の内部燃焼装置。 ５． 前記チューブのうちの選択された一方のチューブが、そのすぐ近傍に複 数の排出開口を有した閉塞端を有することを特徴とする請求項１に記載の内部燃 焼装置。 ６． 前記チューブの開口端が前記平坦なバリヤー壁に対して同軸にかつ間隔 を開けた状態で終端し、これにより前記空気／燃料混合物が前記嵌め筒側壁の外 部に導かれることを特徴とする請求項１に記載の内部燃焼装置。 ７． 前記燃焼室を囲む絶縁材料から構成されたバーナー壁と、前記バーナー 壁を囲む金属壁とを有することを特徴とする請求項１記載の内部燃焼装置。 ８． 前記燃焼室内において前記チューブおよび嵌め筒の周りに配置されて両 者の間に寸法を減じられた通路を画成する、絶縁材料から構成されたバリヤーリ ングを有することを特徴とする請求項７に記載の内部燃焼装置。 ９． 前記燃焼室内に配置され、前記空気／燃料混合物の燃焼に反応して水素 および二酸化炭素を生産する触媒シフト反応器を有することを特徴とする請求項 ２に記載の内部燃焼装置。 １０． 前記燃焼室に連通するように前記バーナー壁に支持された前記空気／ 燃料混合物に点火するための点火手段を有することを特徴とする請求項９に記載 の内部燃焼装置。 １１． 前記空気／燃料混合物が、前記嵌め筒から離間する際に層流を形成す るべく前記チューブの上およびその周りに折り重なることを特徴とする請求項１ ０に記載の内部燃焼装置。 １２． 前記組合せチャンバは、前記絶縁壁を囲む絶縁シェル内に収納され、 前記絶縁シェルと前記絶縁壁との間に配置された前記空気導入チューブの開口 端は前記バリヤー壁に近接して終端することを特徴とする請求項７に記載の内部 燃焼装置。 １３． 前記バーナー手段が一対の燃焼室を有し、かつ一方の燃焼室からの排 気が前記噴射器手段を介して他の燃焼室に導入されることを特徴とする請求項２ に記載の内部燃焼装置。 １４． 前記燃焼室内において前記インジェクター手段の周りに配置された熱 交換器と、 前記熱交換器に接続され、前記噴射器手段の前記空気導入チューブに液体の水 あるいは蒸気を供給する加圧湿気供給源とを有することを特徴とする請求項２に 記載の内部燃焼装置。 １５． 前記燃焼室内において前記インジェクター手段のまわりに配置され、 前記燃焼室の寸法と比べて小さい寸法の通路を提供し、燃焼させられた前記空気 ／燃料混合物を圧縮するバリヤーリングを有することを特徴とする請求項２に記 載の内部燃焼装置。 １６． 空気／燃料蒸気を提供するために空気および炭化水素燃料の混合物を 燃焼させる少くとも１の内部燃焼室を有するバーナー手段と、 前記バーナー手段内に配置され、空気および燃料を前記燃焼室に別々に導入す るインジェクター手段であって、互いに接近しながら同軸かつ間隔を開けた関係 にある開口端をそれぞれ有する空気の導入チューブおよび燃料導入チューブを有 するインジェクター手段と、 前記空気導入チューブおよび前記燃料導入チューブの開口端に近接させつつ間 隔を開けて配置された、導入された空気および燃料を同時に受け止める衝突バリ ヤーと、を備え、 前記衝突バリヤーは、前記導入された空気および燃料を受け止めて強制的に衝 突させ、空気／燃料蒸気混合物を生成する平らな壁を有し、 前記バリヤーの平らな壁は、前記空気／燃料蒸気混合物を受け止めて方向を変 化させ、前記空気／燃料混合物をさらに混合するために、導入された空気および 燃料の直前に配置されていることを特徴とする低酸化バーナー。 １７． 燃料から最大量の水素を生成させるために、前記空気／燃料蒸気混合 物に湿気を供給する、前記空気導入チューブに連結された湿気供給源を有するこ とを特徴とする請求項１６に記載の低酸化バーナー。 １８． 前記空気／燃料蒸気混合物は、折り重ねられた層流として前記インジ ェクター手段を出て、前記燃焼室に突き当たり、排出前に方向が反転することを 特徴とする請求項１７に記載の低酸化バーナー。 １９． 燃焼させられたガスを前記バーナー手段の外側に運ぶ排出部を有した 前記燃焼室と、 加圧水供給源と、 前記加圧水供給源に接続され、前記インジェクター手段に近接して前記燃焼室 に終端する開口端を有した水供給チューブと、 前記水供給チューブの開口に配置され、前記排出部を介して前記バーナー手段 から排出される排出物の前段階を構成する燃焼させられた空気／燃料蒸気混合物 に水を分配する水分散装置と、を有することを特徴とする請求項１８に記載の低 酸化バーナー。 ２０． 空気／燃料混合物を燃焼させて、燃焼室から排出する排出物を生成す る低酸化バーナーであって、 加圧水供給源と、 前記燃焼室内に配置され、前記加圧水供給源から水を導入するとともに、前記 排出物の前段階に混合して排出させる水導入手段と、を備えたことを特徴とする 低酸化バーナー。 ２１． 前記水導入手段に含まれ、水を受け取って前記燃焼室内部に分配する とともに前記排出物と混合させる水分散装置を有することを特徴とする請求項 ２０に記載の低酸化バーナー。 ２２． 前記燃焼室に水を導入する前記水導入手段は、 前記燃焼室内部に配置されるとともに前記加圧水供給源と前記燃焼室内部の前 記排出物との間に接続された熱交換器を有することを特徴とする請求項２０に記 載の低酸化バーナー。